CN108956391B - 探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，包括光源、光路控制器、光能量接收器和光谱分析器。本发明还公开了该探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，包括光源发出光束，光路控制器折射光束、光能量接收器接收光束和光谱分析器进行分析得到气中气溶胶粒径谱分布的步骤，本发明的用于探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测装置，能够实时开放环境中大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布及物理参量信息，并对其进行分析，探测速度快。

Description

探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪及探测方法

技术领域

本发明属于环境探测装置技术领域，涉及一种用于探测大气中雾滴谱和气溶胶粒径谱分布的探测仪，本发明还公开了该用于探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪的使用方法。

背景技术

随着工业、交通和社会经济的迅猛发展，人类的生产生活导致大气中的颗粒物含量增多，给大气环境产生了严重的影响。与日俱增的气溶胶导致我国大部分地区雾、霾天气发生频率剧增，持续时间增长，带来了严重的问题。由于雾霾在环境、气候、健康等很多方面都有很重要的作用，雾霾天气发生时，其影响情况主要取决于其颗粒物所具有的微物理特性，比如粒子数浓度、谱分布、有效半径、体积浓度、表面积浓度等。国家环保部们及研究机构采购了很多的气溶胶粒径谱仪用来对大气中气溶胶的粒径谱分布进行探测和研究分析。这些仪器大多为国外进口设备，价格昂贵。

雾滴是已经活化的气溶胶形成的液滴,它们的直径都在数微米。无论能见度是多少,大气中有雾滴存在才可称为雾；而在霾中,气溶胶未被活化,粒子直径多在0.1-10微米之间，能见度的降低仅是气溶胶吸湿增长或气溶胶数浓度升高造成的。雾霾的微结构也存在小尺度变化特征，尽管有雾滴谱仪可以探测雾滴的微物理特征信息，但是它的探测区间在2μm以上，不能对霾进行同时探测。而且，当前大多数的气溶胶粒径谱仪都是通过采样将被探测大气抽取后进行研究分析，破坏了原本气溶胶的环境和状态，探测结果与气溶胶原有状态发生了变化。探测开放大气环境下雾霾粒子的粒子谱分布及微物理参量信息是很重要的，但是目前国内外没有相关技术和产品来探测开放环境下雾霾粒子谱分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，能够探测开放环境中大气中气溶胶粒径谱分布及物理参量信息，并对其进行分析。

本发明还提供了该探测大气中气雾滴和溶胶粒径谱分布的探测方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，包括光源、光路控制器、光能量接收器和光谱分析器四部分；

其中，光路控制器包括第一离轴反射式望远镜，第一离轴反射式望远镜用于接收光源发出的光束，并将光束调整为准直光后发出；

光能量接收器包括第二离轴反射式望远镜，第二离轴反射式望远镜(10)用于接收到第一离轴反射式望远镜发射的准直光，并将其汇聚至第二离轴反射式望远镜的焦面上；

光谱分析器包括第一光谱仪和第二光谱仪，第一光谱仪用于接收第二离轴反射式望远镜在0°视场的光并对其进行分析，第二光谱仪用于第二离轴反射式望远镜在1°视场的光并对其进行分析。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

光源上连接有第一光纤，第一光纤的一端与光源连接，第一光纤的另一端与第一离轴反射式望远镜的焦面相接，第一光纤上配设有可调光纤衰减器，可调光纤衰减器的端面位于第一离轴反射式望远镜的焦面上。

光路控制器还包括可变光阑和两个固定光阑，可变光阑沿着第一离轴反射式望远镜发出的准直光的光路设置；两个固定光阑均位于第二离轴反射式望远镜接收的准直光的光路上。

光路控制器还包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜与第二反射镜的距离为500mm，第一反射镜与第二反射镜的中心高度差为30mm，第一反射镜位于靠近第二离轴反射式望远镜处，第一反射镜的法线与经过可变光阑后的准直光光路的夹角为1°，第二反射镜位于靠近第一离轴反射式望远镜处，第二反射镜的法线与经过可变光阑后的准直光光路垂直。

第一离轴反射式望远镜包括次镜和主镜，主镜位于次镜的斜上方，次镜和主镜的横向距离为233mm，次镜和主镜的中心高度差为20mm，次镜是曲率为-300mm的非球面镜，主镜是曲率为-666.5mm的非球面镜。

第一光谱分析仪上连接有第二光纤，第二光纤的一端与第一光谱分析仪连接，第二光纤的另一端位于第二离轴反射式望远镜的焦面上；

第二光谱仪上连接有第三光纤，第三光纤的一端与第二光谱仪连接，第三光纤的另一端位于第二离轴反射式望远镜的焦面上。

探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，具体按照下述步骤进行：

步骤1，使用光源发射出紫外到近红外的连续光谱的光束；

步骤2，使用可调光纤衰减器调节光束的能量，通过第一光纤将光束投射至第一离轴反射式望远镜的焦面上，第一离轴反射式望远镜将光束调整为准直光后将其发出；

步骤3，第一离轴反射式望远镜发出的准直光穿过可变光栅后投射至第一反射镜，准直光在在第一反射镜和第二反射镜间进行多次反射后依次穿过两个固定光栅投射至第二离轴反射式望远镜上；

步骤4，第二离轴反射式望远镜将准直光汇聚在第二离轴反射式望远镜的焦面上后，通过第二光纤将0°视场的光传送至第一光谱仪，同时通过第三光纤将1°视场的光传送至述第二光谱仪中。

步骤5，根据第一光谱仪接收到的0°视场的光和二光谱仪接收到的1°视场的光得到气溶胶的粒径谱分布信息。

步骤5中按照步骤得到气溶胶的粒径谱分布信息：

步骤5.1，根据第一光谱仪接收到的0°视场的光得到不同波长处的消光系数α_λ1,α_λ2...α_λn；根据第二光谱仪接收到的1°视场的光得到前向散射系数β_λ1,β_λ2...β_λn；

其中，

为0°视场的光在不同波长处的光能量值，

为1°视场的光在不同波长处的光能量值，C_k为0°视场的光不同波长处的的系统常数，

光源(1)发出的光束在不同波长处的能量，其中k∈(1,2,3,.....,n)，L为探测的距离；

步骤5.2，根据不同波长处的消光系数α_λ得到气溶胶的粒径谱分布n(r)：

其中，

Q(r,λ_k)表示气溶胶的消光效率，P(r,λ_k,θ)表示气溶胶的向前散射相函数，θ表示散射角度。

本发明的有益效果是

本发明的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，能够实时开放环境中大气中气溶胶粒径谱分布及物理参量信息，并对其进行分析，探测速度快。

附图说明

图1是本发明用于探测大气中雾滴及气溶胶粒径谱分布的探测仪的结构示意图。

图中，1.光源，2.第一光纤，3.可调光纤衰减器，4.第一离轴反射式望远镜，5.可变光阑，6.第一反射镜，7.第二反射镜，8.固定光阑，9.第二光谱仪，10.第二离轴反射式望远镜，11.第二光纤，12.第一光谱仪，13.第三光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，如图1所示，包括光源1、光路控制器、光能量接收器和光谱分析器四部分；

其中光源1选用美国Energetiq公司的LDLS-EQ系列白光光源，该光源发出光谱范围为170nm-2100nm的连续光；光源1上连接有芯径为200μm的第一光纤2，第一光纤2的一端与光源1连接，第一光纤2上配设有可调光纤衰减器3；

光路控制器包括焦距为2000mm、口径为100mm的第一离轴反射式望远镜4；第一光纤2的另一端与第一离轴反射式望远镜4的焦面相接，可调光纤衰减器3的断面放置在第一离轴反射式望远镜4的焦面上；第一离轴反射式望远镜4通过第一光纤2接收光源1发出的光束，并将光束调整为发散角为0.1mrad、口径为100mm的准直光后发出；

第一离轴反射式望远镜4包括次镜4-1和主镜4-2，主镜4-2位于次镜4-1的斜上方，次镜4-1和主镜4-2的横向距离为233mm，次镜4-1和主镜4-2的中心高度差为20mm，次镜4-1是曲率为-300mm的非球面镜，主镜4-2是曲率为-666.5mm的非球面镜。

光路控制器还包括可变光阑5和两个固定光阑8，可变光阑5沿着第一离轴反射式望远镜4发出的准直光的光路设置；。

光路控制器还包括第一反射镜6和第二反射镜7，第一反射镜6与第二反射镜7的距离为500mm，第一反射镜6与第二反射镜7的的中心高度差为30mm，第一反射镜6位于靠近第二离轴反射式望远镜10处，经过可变光阑5的准直光能够投射至第一反射镜6上，第一反射镜6的法线与经过可变光阑5后的准直光光路的夹角为2°，第二反射镜7位于可变光阑5的下方，第二反射镜7的法线与经过可变光阑5后的准直光光路垂直，准直光能够在第一反射镜6和第二反射镜7件经过多次反射后能够穿过固定光阑8投射至光能量接收器中。

光能量接收器包括焦距为2000mm、口径为200mm的第二离轴反射式望远镜10，第二离轴反射式望远镜10用于接收准直光并将其汇聚至第二离轴反射式望远镜10的焦面上；

光谱分析器包括第一光谱仪12和第二光谱仪9，第一光谱仪12上连接有第二光纤11，第二光纤11的一端与第一光谱仪12相连，第二光纤11的另一端位于第二离轴反射式望远镜10的焦面的焦点上，第二光谱仪9上连接有第三光纤13，第三光纤13的一端与第二光谱仪9相连，第三光纤13的另一端位于第二离轴反射式望远镜10的焦面距离焦点34.9mm处。

探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，具体按照下述步骤进行：

步骤1，使用光源1发射出紫外到近红外的连续光谱的光束；

步骤2，使用可调光纤衰减器3调节光束的能量，通过第一光纤2将光束投射至第一离轴反射式望远镜4的焦面上，第一离轴反射式望远镜4将光束调整为准直光后将其发出；

步骤3，第一离轴反射式望远镜4发出的准直光穿过可变光栅5后投射至第一反射镜6，准直光在在第一反射镜6和第二反射镜7间进行多次反射后依次穿过两个固定光栅8投射至第二离轴反射式望远镜10上；

步骤4，第二离轴反射式望远镜10将准直光汇聚在第二离轴反射式望远镜10的焦面上后，通过第二光纤11将0°视场的光传送至第一光谱仪12，同时通过第三光纤13将1°视场的光传送至述第二光谱仪9中。

步骤5，根据第一光谱仪12接收到的0°视场的光和二光谱仪9接收到的1°视场的光得到气溶胶的粒径谱分布信息,按照步骤进行：

步骤5.1，根据第一光谱仪(12)接收到的0°视场的光和二光谱仪(9)接收到的1°视场的光，得到不同波长处的消光系数α_λ：

其中，

为0°视场的光在不同波长处的光能量值，C_k为0°视场的光不同波长处的的系统常数，

光源1发出的光束在不同波长处的能量值，其中k∈(1,2,3,.....,n)；

步骤5.2，根据不同波长处的消光系数α_λ得到气溶胶或雾滴的粒径谱分布n(r)：

其中，

Q(r,λ_k)表示气溶胶或雾滴的消光效率，P(r,λ_k,θ)表示大气的向前散射相函数，θ表示散射角度。

Claims (7)

1.探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，包括光源(1)、光路控制器、光能量接收器和光谱分析器四部分；

其中，光路控制器包括第一离轴反射式望远镜(4)，所述第一离轴反射式望远镜(4)用于接收光源(1)发出的光束，并将光束调整为准直光后发出；

所述光能量接收器包括第二离轴反射式望远镜(10)，所述第二离轴反射式望远镜(10)用于接收到第一离轴反射式望远镜(4)发射的准直光，并将其汇聚至第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上；

所述光源(1)上连接有第一光纤(2)，所述第一光纤(2)的一端与光源(1)连接，所述第一光纤(2)的另一端与第一离轴反射式望远镜(4)的焦面相接，所述第一光纤(2)上配设有可调光纤衰减器(3)，所述可调光纤衰减器(3)的端面位于第一离轴反射式望远镜(4)的焦面上；

所述光谱分析器包括第一光谱仪(12)和第二光谱仪(9)，所述第一光谱仪(12)用于接收第二离轴反射式望远镜(10)在0°视场的光并对其进行分析，所述第二光谱仪(9)也用于第二离轴反射式望远镜(10)在1°视场的光并对其进行分析。

2.根据权利要求1所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述光路控制器还包括可变光阑(5)和两个固定光阑(8)，所述可变光阑(5)沿着第一离轴反射式望远镜(4)发出的准直光的光路设置；两个所述固定光阑(8)均位于第二离轴反射式望远镜(10)接收的准直光的光路上。

3.根据权利要求2所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述光路控制器还包括第一反射镜(6)和第二反射镜(7)，所述第一反射镜(6)与第二反射镜(7)的距离为500mm，所述第一反射镜(6)与第二反射镜(7)的中心高度差为30mm，所述第一反射镜(6)位于靠近第二离轴反射式望远镜(10)处，所述第一反射镜(6)的法线与经过可变光阑(5)后的准直光光路的夹角为1°，所述第二反射镜(7)位于靠近第一离轴反射式望远镜(4)处，所述第二反射镜(7)的法线与经过可变光阑(5)后的准直光光路垂直。

4.根据权利要求1所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述第一离轴反射式望远镜(4)包括次镜(4-1)和主镜(4-2)所述主镜(4-2)位于次镜(4-1)的斜上方，所述次镜(4-1)和主镜(4-2)的横向距离为233mm，所述次镜(4-1)和主镜(4-2)的中心高度差为20mm，所述次镜(4-1)是曲率为-300mm的非球面镜，所述主镜(4-2)是曲率为-666.5mm的非球面镜。

5.根据权利要求1所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述第一光谱仪(12)上连接有第二光纤(11)，所述第二光纤(11)的一端与第一光谱仪(12)连接，所述第二光纤(11)的另一端位于第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上；

所述第二光谱仪(9)上连接有第三光纤(13)，所述第三光纤(13)的一端与第二光谱仪(9)连接，所述第三光纤(13)的另一端位于第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上。

6.探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：

步骤1，使用光源(1)发射出紫外到近红外的连续光谱的光束；

步骤2，使用可调光纤衰减器(3)调节光束的能量，通过第一光纤(2)将光束投射至第一离轴反射式望远镜(4)的焦面上，第一离轴反射式望远镜(4)将光束调整为准直光后将其发出；

步骤3，第一离轴反射式望远镜(4)发出的准直光穿过可变光栅(5)后投射至第一反射镜(6)，准直光在第一反射镜(6)和第二反射镜(7)间进行多次反射后依次穿过两个固定光栅(8)投射至第二离轴反射式望远镜(10)上；

步骤4，第二离轴反射式望远镜(10)将准直光汇聚在第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上后，通过第二光纤(11)将0°视场的光传送至第一光谱仪(12)，同时通过第三光纤(13)将1°视场的光传送至第二光谱仪(9)中；

步骤5，根据第一光谱仪(12)接收到的0°视场的光和第二光谱仪(9)接收到的1°视场的光得到气溶胶的粒径谱分布信息。

7.根据权利要求6所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，其特征在于，所述步骤5中按照步骤得到气溶胶的粒径谱分布信息：

步骤5.1，根据第一光谱仪(12)接收到的0°视场的光得到不同波长处的消光系数α_λ1,α_λ2...α_λn；根据第二光谱仪(9)接收到的1°视场的光得到前向散射系数β_λ1,β_λ2...β_λn；

其中，

为0°视场的光在不同波长处的光能量值，

为1°视场的光在不同波长处的光能量值，C_k为0°视场的光不同波长处的系统常数，

光源(1)发出的光束在不同波长处的能量，其中k∈(1,2,3,.....,n)，L为探测的距离；

步骤5.2，根据所述不同波长处的消光系数α_λ得到气溶胶的粒径谱分布n(r)：

其中，

Q(r,λ_k)表示气溶胶的消光效率，P(r,λ_k,θ)表示气溶胶的向前散射相函数，θ表示散射角度。

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